Prof. Dr. Thomas Heinze
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31.12.2001

Im Vorhaben wurden Synthesestrategien für die Herstellung von hochsubstituierten Stärkederivaten studiert. Dabei standen zwei alternative Konzepte zur Einführung von kationischen Gruppen im Mittelpunkt des Interesses: die Synthese von hochsubstituierten Stärkesulfonsäureestern mit anschließender nucleophiler Substitution und die direkte Kationisierung mit aminfunktionalisierten Reagenzien. Als Ausgangsmaterialien wurden unterschiedliche native und abgebaute Stärken verwendet, so dass der Einfluss der Zusammensetzung, der Molmasse und weiterer struktureller Besonderheiten beurteilt und das Eigenschaftsspektrum bei an sich vergleichbarer Funktionalisierung hinsichtlich Art und Grad der Modifizierung beeinflusst werden konnte. Im Gegensatz zur Cellulose erfolgt die Sulfonierung von Stärke bis zu einem DS von 1 regioselektiv an der O-2-Position. Die bisher nicht bekannte Regioselektivität wurde eindeutig durch spezielle Methoden belegt. Es war schwierig, die geplante nucleophile Substitution mit Aminen zur Gewinnung von Stärkepolykationen zu realisieren, da die tosylierte 2-Position nicht ausreichend reaktiv ist. Das Anwendungspotential der organolöslichen und stabilen Stärketosylate ist bisher nicht detailliert erkundet worden. Die Reaktion von Stärke mit kommerziellen Reagenzien zur direkten Einführung von kationischen Funktionen gelingt in unterschiedlichen Reaktionsmedien a) vollständig heterogen in Ethanol/Wasser/Natronlauge, b) heterogen-homogen in Wasser/Natronlauge, d.h. unter Auflösung während der Reaktion und c) vollständig homogen in DMSO, wobei unabhängig vom Stärkeausgangsmaterial praktisch gleiche DS-Werte realisierbar sind. In Einstufenreaktionen sind DS-Werte bis 1 mit Reagenzausbeuten von über 50 % zugänglich. Ein Zweistufen-Verfahren erlaubt sogar die Gewinnung von Mustern mit einem DS von 1,5. Die gewonnenen Derivate wurden umfassend charakterisiert. Die wasserlöslichen Stärkepolyelektrolyte weisen eine Vielzahl von interessanten Eigenschaften auf.

Ziel des Vorhabens ist es, gangbare Synthesewege zu entwickeln, die zur Bereitstellung neuartiger kationischer Stärke-Polyelektolyte mit einstellbarem Substitutionsgrad und kontrollierter Verteilung der funktionellen Gruppen führen. Die Schwerpunkte der geplanten Arbeiten beziehen sich auf die Synthese von Sulfonsäureestern der Stärke und Einführung kationischer Funktionen durch nucleophile Substitutionsreaktionen sowie die Alkylierung der Hydroxylgruppen und Synthese von Polyelektrolyten mit unterschiedlichem Abstand der ionischen Gruppen vom Polymerrückgrat. An ausgewählten Beispielen soll eine Maßstabsvergrößerung der Synthese erfolgen. Als ionische Funktionen werden Ammonium- und Sulfoniumgruppierungen mit unterschiedlichen Alkylresten ausgewählt. Produktadaptierte Analysemethoden, insbesondere die Chromatographie und NMR-Spektroskopie sollen entwickelt und zum Einsatz kommen. Weiterhin sollen ausgewählte Eigenschaften (Löslichkeit, Viskosität, Gel- und Symplexbildungsverhalten) getestet und detaillierte Untersuchungen zur Symplexbildung beim Industriepartner durchgeführt werden.